并发编程系列（二）：线程锁使用场景和原理

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原创最新推荐文章于 2026-08-09 13:05:23 发布 724 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

C# 多线程编程：线程锁与无锁并发多线程编程在现代软件开发中至关重要。本文将讨论 C# 中的多线程技术，重点介绍锁的概念，线程锁与无锁并发。通过学习本篇博文，我们将学会如何正确处理并发问题，提高程序的性能和稳定性。锁是一种同步机制，用于控制多个线程对共享资源的访问。当一个线程获得了锁时，其他线程将被阻塞，直到该线程释放了锁。本文深入探讨了 C# 中的多线程编程技术，重点介绍了锁的基本概念、线程锁的类型、锁的实现方式、无锁并发编程以及 C# 中的并发集合类和经典并发同步问题。理解多线程编程的基本概念。阅读详情

问题：java中如何解决线程并行导致的数据安全问题？
java SE 1.6后对synchronized做了优化，增加了偏向锁、轻量级锁概念，以减少获得/释放锁带来的性能消耗

一、synchronized的使用
锁的粒度，从上到下变小
1.修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

public synchronized static void demo2() {
    // 代码块
}

2.修饰实例方法，作用于当前实例对象加锁，进入同步代码前要获得当前实例对象的锁

public synchronized void demo2() {
    // 代码块
}

3.修饰代码块，指定加锁对象，进入同步代码前要获得给定对象的锁

public void demo(){
    synchronized (this){ 
        // 代码块
    }
}

二、锁是如何存储的

问题：锁如何实现线程的互斥特性？
思路：synchronized(lock)为切入点，锁是否与对象生命周期有关，锁在对象中存在状态是怎样的

1.对象在内存中存储

对象头（header），实例数据（instance data），对齐填充（padding）
eg.

2.jvm源码实现
new 实例对象时，（Hotspot虚拟机）JVM会创建instanceOopDesc对象。
OOP-klass模型描述对象实例，OOP（Ordinary ObjectPoint）普通对象指针，klass描述对象具体类型。Hotspot采用instanceOopDesc和arrayOopDesc类型描述对象头

instanceOopDesc，继承自OopDesc类。OopDesc，定义在oop.hpp，OopDesc对象包含两个成员_mark和metadata。
_mark，表示对象标记，属于markOop类型，也即Mark Word，它记录了对象和锁有关的信息
_metadata，表示类元信息，类元信息存储的是对象指向它的类元数据（Klass）的首地址，其中Klass表示普通指针，_compressed_klass表示压缩类指针

MarkWord
markOop，定义在markOop.hpp文件，代码如下

Mark Word记录了对象和锁有关的信息，里面存储的信息会随着锁标志位的变化而变化。
Mark Word可能存在5种变化情况，以下演示32位机的（也有64位机的，存储的大小不一样）

eg.记录5种状态图表

锁状态	25bit		4bit	1bit	2bit
锁状态	23bit	2bit	4bit	是否偏向锁	锁标志位
无锁	对象的HashCode		分代年龄	0	01
偏向锁	线程ID	epoch	分代年龄	1	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针				00
重量级锁	指向重量级锁的指针				10
GC标记	空				11

3.为什么任何对象都可以实现锁
任何一个对象都继承Object对象，object在jvm中都有native的C++对象 oop/oopDesc对应。
线程在获取锁时，其实是获取监视器对象monitor，多线程访问同步代码块时，相当于去争抢对象监视器，以修改对象的锁标识。

三、锁升级
无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁
1.偏向锁
当只有一个线程访问时，会将MarkWorld锁标志位设为“01”，并通过CAS操作把线程ID记录到MarkWord。当下次访问时，无需再次加锁和释放锁，会判断对象头里是否有当前线程ID，若有，则无需尝试获得锁（也即是锁会偏向于某个线程）
eg.偏向锁流程

2.轻量级锁
当一个线程Thread-1已经持有偏向锁，还没走完同步代码，此时若有竞争线程Thread-2尝试进入，则会将持有偏向锁线程先暂停，然后升级为轻量级锁。
竞争线程Thread-2通过自旋方式，有限次数内获得锁，如果自旋获取锁失败，则当前线程升级为重量级锁，竞争线程挂起阻塞

轻量级锁升级细节

在线程栈帧中创建锁记录，将MarkWord中标记的对象信息复制到锁记录中，将锁记录的Owner指向锁对象，将MarkWord替换为指向锁记录的指针

轻量级锁的解锁

轻量级锁的释放，获得锁的逆向逻辑。通过CAS操作将线程栈帧中的lockRecord替换回MarkWord中，若成功表示没有竞争；若失败，则存在竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁

eg.轻量级锁流程

3.重量级锁
若两个线程正常交替执行，那么轻量级锁基本能够满足锁的要求，若当两个线程同时进入临界区，则轻量级锁会膨胀为重量级锁，未获得锁的线程挂起阻塞

通过命令：javap -v 类.class，查看生成的class文件信息

加了同步的代码会看到monitorenter和monitorexit.
每个java对象都会与一个监视器monitor关联，要想取得synchronized修饰的同步方法或代码块的执行权限，首先需要取得修饰对象的monitor。
monitorenter表示去获得一个对象监视器，monitorexit表示释放监视器所有权，使其他被阻塞线程可以尝试获得监视器。

eg.重量级锁加锁流程

任意对Object访问的线程，首先要获得Object的监视器

四、wait,notify,notifyAll

问题：通过synchronized，阻塞线程只有等到获得锁线程执行完毕才唤醒，如何显示控制线程唤醒？
通过信号机制：Object提供的wait,notify,notifyAll控制线程状态。

基本概念
wait，持有对象锁线程A，准备释放对象锁权限，释放CPU资源进入等待状态。
notify，当持有对象锁线程A准备释放锁权限时，通知jvm唤醒某个竞争该锁的线程，当A执行完毕并释放锁，线程X直接获得对象锁权限，其他线程继续等待。
notifyAll，唤醒所有竞争统一对象锁的线程。

五、练习

1.请分析以下程序的执行结果,并详细说明原因

public class SynchronizedDemo implements Runnable{
    int x = 100;

    public synchronized void m1() {
        x = 1000;
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("x=" + x);
    }

    public synchronized void m2() {
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        x = 2000;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo sd = new SynchronizedDemo();
        new Thread(()->sd.m1()).start();
        new Thread(()->sd.m2()).start();
        sd.m2();
        System.out.println("Main x=" + sd.x);
    }
    @Override
    public void run() {
        m1();
    }
}

分析：

SynchronizedDemo sd = new SynchronizedDemo();
new Thread(()->sd.m1()).start(); // x=1000，休眠1秒
new Thread(()->sd.m2()).start(); // 休眠0.2秒，x=2000
sd.m2(); // 休眠0.2秒，x=2000
System.out.println("Main x=" + sd.x);

Main，t1(执行m1方法)，t2（执行m2方法）

Main线程获得锁，x=2000
打印时，若t1获得锁，并先于打印给x=1000，则打印Main x=1000，休眠1秒打印x=1000
打印时，若t1获得锁，晚于打印或者t2获得锁，则输出Main x=2000，再输出x=1000

t1获得锁，打印x=1000，再打印Main x=2000（不管main还是t2获得锁，结果一样）
t2获得锁，x赋值2000
Main获得锁后，在打印时，若t1先于打印把x赋值1000，则输出Main=1000,x=1000
t1获得锁，x=1000，再打印Main x=2000

2.下面这个程序的最终结果是多少？为什么？

public class SynchronizedDemo  {
   static Integer count=0;
   public static void incr(){
       synchronized (count) {
           try {
               Thread.sleep(1);
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
           count++;
       }
   }
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        for(int i=0;i<1000;i++){
            new Thread(()->SynchronizedDemo.incr()).start();
        }
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("result:"+count);
    }
}

分析：Integer可变，所以基本可以视为没有加锁，也就是存在并发问题，值会小于1000

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